CN114590104A - 一种电动挖机热管理系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种电动挖机热管理系统及其控制方法。包括热泵回路、WPTC回路和电池包回路；热泵回路中储液器分出两路，第一路经过第三电磁阀、第一电子膨胀阀、经济器连接电动压缩机补气入口，第二路经过经济器、换热器等连接回电动压缩机入口；WPTC回路包括第一水泵、加热器WPTC；电池包回路通过第五电磁阀分成两路，一路连接低温散热器，另一路连接换热器。本发明通过引入经济器来实现压缩机的中压补气，增加室外换热器的质量流量，并利用电子膨胀阀均衡电池包冷却和驾驶室制冷的效果；制热时，电池包余热引入驾驶室内部来实现驾驶室的采暖。本发明提高了电动挖机制热及制冷效率，节省能耗，延长整机的持续运行时间。

Description

一种电动挖机热管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动挖掘机技术领域，具体的，涉及一种电动挖机热管理系统及其控制方法。
背景技术
随着工程机械电动化的推广应用程度不断提高，其对整机持续运行时长的需求也越来越迫切。由于空调系统作为电动车辆关键的能耗部件，其热管理方案对整机能耗分配以及运行可靠性的提升变得尤为重要。
现有的电动挖机空调热管理系统存在的不足是：
（1）驾驶室制冷和电池包冷却方面共用一个压缩机，对压缩机的性能要求非常高，严重影响压缩机的运行可靠性；
（2）驾驶室大多采用热泵形式或高压PTC加热的方式，而热泵系统在低温环境下热利用率较低，制热量无法满足要求；而PTC加热的方案虽然制热效率高，但能耗较大，成本高，同时会降低电动挖机的持续运行时长；
（2）驾驶室制热和电池包冷却模式较为单一且相互独立，无法实现电池包余热回收以及电池包冷却和驾驶室制热同步调节的效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种电动挖机热管理系统及其控制方法。
本发明通过以下技术方案实现：一种电动挖机热管理系统，包括热泵回路、WPTC回路和电池包回路；
所述热泵回路包括电动压缩机，电动压缩机出口连接第一电磁阀第一端口和第二电磁阀；第二电磁阀和第一电磁阀第二端口连接电动压缩机入口；第一电磁阀第三端口连接室外换热器，室外换热器连接储液器；
所述储液器分出两路，储液器第一路连接第三电磁阀，第三电磁阀连接第一电子膨胀阀，第一电子膨胀阀连接经济器，经济器通过单向阀连接电动压缩机补气入口；
储液器第二路连接经济器，经济器分别连接第二电子膨胀阀和第三电子膨胀阀；所述第二电子膨胀阀连接第一换热器，第一换热器连接电动压缩机入口；所述第三电子膨胀阀连接第二换热器，第二换热器连接室内换热器，室内换热器连接电动压缩机入口；
所述WPTC回路包括第一水泵，第一水泵出口连接加热器WPTC，加热器WPTC连接第二换热器，第二换热器连接水暖芯体，水暖芯体连接第二四通换向阀第三端口，第二四通换向阀第一端口连接第一水泵入口；
所述电池包回路包括第二水泵，第二水泵出口连接电池包入口，电池包出口连接第五电磁阀第一端口；
第五电磁阀第二端口连接低温散热器，低温散热器连接第一四通换向阀第一端口，低温散热器一侧配合设置有电子风扇；所述第一四通换向阀第二端口连接第二四通换向阀第二端口，第二四通换向阀第四端口连接第四电磁阀第三端口，第四电磁阀第二端口连接第二水泵入口；
第五电磁阀第三端口连接第一四通换向阀第四端口，第一四通换向阀第三端口连接第一换热器，第一换热器连接第四电磁阀第一端口。
其进一步是：所述水暖芯体至第二四通换向阀第三端口之间的管路上连接有水壶。
所述第一换热器至第四电磁阀第一端口之间的管路上连接有水壶。
所述电动压缩机出口的管路上连接有第一P-T传感器；
所述储液器至第三电磁阀之间的管路上连接有第二P-T传感器；
所述第一换热器至电动压缩机入口之间的管路上连接有第三P-T传感器；
所述第二水泵出口至电池包入口之间的管路上连接有第四P-T传感器；
所述电池包出口至第五电磁阀第一端口入口之间的管路上连接有第五P-T传感器。
一种电动挖机热管理控制方法，采用权利要求1至5中任意一种电动挖机热管理系统，
电池包内电芯最高温度限值为Tmax，最低温度限值为Tmin；电池包温差预设上限值为T1，下限值为T2；电动压缩机排气温度预设值为T3；环境温度预设值为T4；
当T1≥（Tmax-Tmin）≥T2时，电动压缩机关闭，电子风扇开启，电池包冷却回路仅通过低温散热器来冷却；
当T2＞（Tmax-Tmin）时，此时电池包冷却液通过第五电磁阀和第一四通换向阀，不经过低温散热器；
当T1＜（Tmax-Tmin）时，电动压缩机开启，第二电子膨胀阀开度打开。
当驾驶室和电池包有制冷需求时；
如果电动压缩机排气温度Tcomp＜T3，此时第三电磁阀与第一电子膨胀阀开度主动关闭；如果电动压缩机排气温度Tcomp≥T3，此时开启第三电磁阀并通过调节第一电子膨胀阀开度来调整电动压缩机的补气口流量，从而降低排气温度；
当驾驶室有制热需求时；
如果环境温度Tes≥T4，此时制冷剂回流形成的热泵系统能效高，第一电磁阀的第一端口关闭，第二电磁阀和第一水泵同时开启，形成制热回路；
如果环境温度Tes＜T4，此时热泵系统能效低，此时若T1＞（Tmax-Tmin），通过第一四通换向阀和第四电磁阀、第二四通换向阀将电池包冷却液引入驾驶室内部进行采暖；
当驾驶室制热需求大时，此时第一水泵和加热器WPTC同时开启来辅助制热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）当电池包冷却需求较大时，此时通过电动压缩机的制冷回路以及换热器的热量交换来实现电池冷却，并利用电子膨胀阀的开度调节来均衡电池包冷却和驾驶室制冷的效果；当电池包冷却需求较小时，此时可通过低温散热器冷却回路来实现电池包冷却，从而节省能耗；
（2）驾驶室的制热可以通过电磁阀的换向来实现热泵功能，并且可以利用四通换向阀将电池包的余热引入驾驶室内部来实现驾驶室的采暖，从而提高安全性和驾乘舒适性；
（3）超低温环境下，热泵系统制热量不足、性能系数下降，此时可通过开启水加热器WPTC进行辅助制热，从而提高制热效率，节省能耗，延长整机的运行时间。
附图说明
图1是电动挖机热管理系统实施方式一示意图；
图2是电动挖机热管理系统实施方式二示意图；
图中：1-1、第一电子膨胀阀；1-2、第二电子膨胀阀；1-3、第三电子膨胀阀；2-1、第一电磁阀；2-2、第二电磁阀；2-3、第三电磁阀；2-4、第四电磁阀；2-5、第五电磁阀；3-1、第一四通换向阀；3-2、第二四通换向阀；4-1、第一换热器；4-2、第二换热器；4-3、室内换热器；4-4、室外换热器；5-1、第一P-T传感器；5-2、第二P-T传感器；5-3、第三P-T传感器；5-4、第四P-T传感器；5-5、第五P-T传感器；6-1、第一水泵；6-2、第二水泵；7、储液器；8、经济器；9、单向阀；10、电动压缩机；11、水暖芯体；12、水壶；13、加热器WPTC；14、电池包；15、低温散热器；16、电子风扇。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，现结合附图对本发明做进一步说明。
实施例一
结合图1和图2所示，一种电动挖机热管理系统，主要包括热泵回路、WPTC回路和电池包回路；
热泵回路：
电动压缩机10出口连接第一电磁阀2-1第一端口和第二电磁阀2-2。电动压缩机10出口的管路上连接有第一P-T传感器5-1。第二电磁阀2-2和第一电磁阀2-1第二端口连接电动压缩机10入口；第一电磁阀2-1第三端口连接室外换热器4-4，室外换热器4-4连接储液器7；
储液器7分出两路，储液器7第一路连接第三电磁阀2-3，第三电磁阀2-3连接第一电子膨胀阀1-1，第一电子膨胀阀1-1连接经济器8，经济器8通过单向阀9连接电动压缩机10补气入口；储液器7至第三电磁阀2-3之间的管路上连接有第二P-T传感器5-2；
储液器7第二路连接经济器8，经济器8分别连接第二电子膨胀阀1-2和第三电子膨胀阀1-3；第二电子膨胀阀1-2连接第一换热器4-1，第一换热器4-1连接电动压缩机10入口；第一换热器4-1至电动压缩机10入口之间的管路上连接有第三P-T传感器5-3；第三电子膨胀阀1-3连接第二换热器4-2，第二换热器4-2连接室内换热器4-3，室内换热器4-3连接电动压缩机10入口。
WPTC回路：
第一水泵6-1出口连接加热器WPTC13，加热器WPTC13连接第二换热器4-2，第二换热器4-2连接水暖芯体11，水暖芯体11连接第二四通换向阀3-2第三端口，第二四通换向阀3-2第一端口连接第一水泵6-1入口。水暖芯体11至第二四通换向阀3-2第三端口之间的管路上连接有水壶12。
电池包回路：
第二水泵6-2出口连接电池包14入口，电池包14出口连接第五电磁阀2-5第一端口。第二水泵6-2出口至电池包14入口之间的管路上连接有第四P-T传感器5-4；电池包14出口至第五电磁阀2-5第一端口入口之间的管路上连接有第五P-T传感器5-5；
第五电磁阀2-5第二端口连接低温散热器15，低温散热器15连接第一四通换向阀3-1第一端口，低温散热器15一侧配合设置有电子风扇16；第一四通换向阀3-1第二端口连接第二四通换向阀3-2第二端口，第二四通换向阀3-2第四端口连接第四电磁阀2-4第三端口，第四电磁阀2-4第二端口连接第二水泵6-2入口；
第五电磁阀2-5第三端口连接第一四通换向阀3-1第四端口，第一四通换向阀3-1第三端口连接第一换热器4-1，第一换热器4-1连接第四电磁阀2-4第一端口。第一换热器4-1至第四电磁阀2-4第一端口之间的管路上连接有水壶12。
本实施例电动挖机热管理系统的工作过程主要包括驾驶室制冷、制热回路和电池包冷却回路；
驾驶室制冷回路：
电动压缩机10与第一电磁阀2-1的第一、三端口连通，第一电磁阀2-1的第三端口与室外换热器4-4的入口连通，室外换热器4-4的出口经过储液器7后进行分流；
其中一路经过经济器8、第三电子膨胀阀1-3、第二换热器4-2以及室内换热器4-3，室内换热器4-3出口与电动压缩机10的入口连通；
另一支路通过第三电磁阀2-3及第一电子膨胀阀1-1、经济器8出口与电动压缩机10补气入口相连。
驾驶室制热回路：
热泵回路、WPTC制热回路以及电池包余热回收回路；
其中热泵回路为：
电动压缩机10出口与室内换热器4-3相连，中间设置有第二电磁阀2-2，室内换热器4-3出口与第二换热器4-2入口相连，第二换热器4-2出口与经济器8入口相连，经过经济器8后进行分流，
其中一路通过储液器7、室外换热器4-4、第一电磁阀2-1第三、二端口，
另一支路通过第三电磁阀2-3及第一电子膨胀阀1-1、经济器8出口与电动压缩机10补气入口相连。
WPTC制热回路为：
第一水泵6-1出口与加热器WPTC13入口相连，加热器WPTC13出口通过第二换热器4-2与水暖芯体11入口连通，水暖芯体11出口通过第二四通换向阀3-2第一三端口连接第一水泵6-1入口。
电池包余热回收回路：
第一水泵6-1出口与加热器WPTC13入口相连，加热器WPTC13出口通过第二换热器4-2与水暖芯体11入口连通，水暖芯体11出口与第二四通换向阀3-2的三四端口以及第四电磁阀2-4的二三端口相连，最后与第二水泵6-2入口连通，第二水泵6-2出口与电池包14入口相连，电池包14出口与第五电磁阀2-5一三端口以及第一四通换向阀3-1二四端口、第二四通换向阀3-2一二端口，最终回到第一水泵6-1入口。
电池冷却回路：
第二水泵6-2出口与电池包14入口相连，电池包14出口与第五电磁阀2-5相连并分成两条支路，
其中一路经过第五电磁阀2-5的第一三端口以及第一四通换向阀3-1的第三四端口与第一换热器4-1入口相连，第一换热器4-1出口经由第四电磁阀2-4的第一二端口与第二水泵6-2入口连接；
另一路通过第五电磁阀2-5的第一二端口以及第一四通换向阀3-1的第一二端口。
实施例二
一种电动挖机热管理控制方法，在上述实施例一的基础上，
关于驾驶室的制冷；
如图1所示，电动压缩机10将制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂，制冷剂经过第一电磁阀2-1的一、三端口，并通过室外换热器4-4冷凝为气液混合制冷剂，混合制冷剂流经储液器7后进行分流，其中一路经过第三电磁阀2-3及第一电子膨胀阀1-1，并在第一电子膨胀阀1-1的节流作用下，在经济器8的微通道内与另一路制冷剂进一步热量交换，形成中温中压制冷剂通过单向阀9回流到电动压缩机10；
另一路制冷剂经过经济器8的深入冷却后再次分流，其中一路经过第三电子膨胀阀1-3以及第二换热器4-2节流作用，并通过室内换热器4-3在驾驶室内部实现热量交换，从而达到驾驶室制冷效果，
而另一路经过第二电子膨胀阀1-2的节流作用，并在第一换热器4-1内部与电池包冷却回路实现换热，最终制冷剂回流至电动压缩机10内部。
本实施例中，制冷剂在经济器微通道内实现热量交换，通过支路制冷剂对压缩机进行中压补气，增加室外换热器的质量流量及出口过冷度，同时降低压缩机的排气温度，从而提升制冷量和制冷效率、扩大运行范围。
关于电池包的冷却；
（1）当电池包14冷却需求较大时，如图2，此时启动电动压缩机10，制冷剂通过上述制冷回路进行循环，通过第二电子膨胀阀1-2的节流作用，在第一换热器内部4-1与电池包冷却回路实现换热，此时电池包冷却回路依次经过第二水泵6-2、电池包14、第五电磁阀2-5一三端口、第一四通换向阀3-1三四端口、第一换热器4-1以及第四电磁阀2-4一二端口，
（2）当电池包冷却需求较小时，此时电动压缩机10关闭，电池包冷却回路优先通过低温散热器15来实现，此时电池包冷却回路依次经过第二水泵6-1、电池包14、第五电磁阀2-5一二端口、低温散热器15、第一四通换向阀3-1一三端口、第一换热器4-1以及第四电磁阀2-4一二端口。
本实施例中，电池包的冷却可通过电动压缩机和低温散热器两种途径进行冷却，同时电池包的冷却和驾驶室的制冷效果可以通过综合调节第二电子膨胀阀和第三电子膨胀阀的开度来实现；当电池包的冷却需求较大时，此时增大第二电子膨胀阀的开度，同时缩小第三电子膨胀阀的开度，来增加电池包制冷回路的质量流量，实现较好的冷却效果。
关于驾驶室的制热；
当电池包不经过压缩机制冷回路冷却时，此时驾驶室制热可通过热泵系统来实现，具体的：
高温高压的气态制冷剂通过电动压缩机10以及第二电磁阀2-2直接进入室内换热器4-3，并在第二换热器4-2内部实现换热，从而实现制热效果，此时水加热器WPTC13不开启，制冷剂通过经济器8后分流，其中一路经过储液器7、室外换热器4-4以及第一电磁阀2-1的第三、二端口回流至电动压缩机10，另一路经过第三电磁阀2-3、第一膨胀阀1-1的节流作用，在经济器8内部实现热量交换，并经过单向阀9回流至电动压缩机10，对电动压缩机10进行补气，提升制热量和制热效率；
当在超低温环境下，驾驶室制热需求较大时，此时由于热泵系统制热量不足、性能系数下降以及排气温度过高等问题，热泵系统无法满足制热需求；
此时优先通过第一四通换向阀3-1和第四电磁阀2-4、第二四通换向阀3-2将电池包冷却液引入驾驶室内部进行采暖，同时可通过开启水加热器WPTC13进行辅助制热，从而提高制热效率，节省能耗，延长整机的运行时间。
电动挖机热管理控制方法还包括如下步骤：
电池包14内电芯最高温度限值为Tmax，最低温度限值为Tmin；电池包14温差预设上限值为T1，下限值为T2；电动压缩机10排气温度预设值为T3；环境温度预设值为T4；
当T1≥（Tmax-Tmin）≥T2时，电动压缩机10关闭，电子风扇16开启，电池包14冷却回路仅通过低温散热器15来冷却；
当T2＞（Tmax-Tmin）时，此时电池包14冷却液通过第五电磁阀2-5和第一四通换向阀3-1，不经过低温散热器；
当T1＜（Tmax-Tmin）时，电动压缩机10开启，第二电子膨胀阀1-2开度打开。
当驾驶室和电池包制冷需求较大时；
如果电动压缩机10排气温度Tcomp＜T3，此时第三电磁阀2-3与第一电子膨胀阀1-1开度主动关闭；如果电动压缩机10排气温度Tcomp≥T3，此时开启第三电磁阀2-3并通过调节第一电子膨胀阀1-1开度来调整电动压缩机10的补气口流量，从而降低排气温度；
当驾驶室有制热需求时；
如果环境温度Tes≥T4，此时制冷剂回流形成的热泵系统能效高，第一电磁阀2-1的第一端口关闭，第二电磁阀2-2和第一水泵6-1同时开启，形成制热回路；
如果环境温度Tes＜T4，此时热泵系统能效低，此时若T1＞（Tmax-Tmin），通过第一四通换向阀3-1和第四电磁阀2-4、第二四通换向阀3-2将电池包14冷却液引入驾驶室内部进行采暖；
当驾驶室制热需求大时，此时第一水泵6-1和加热器WPTC13同时开启来辅助制热。
本实施例通过引入经济器来实现压缩机的中压补气，增加室外换热器的质量流量，并利用电子膨胀阀的开度调节来均衡电池包冷却和驾驶室制冷的效果；
此系统对于驾驶室制热，可利用电磁阀的换向来实现热泵功能，并利用四通换向阀将电池包的余热引入驾驶室内部来实现驾驶室的采暖；
当在超低温环境下，可通过开启水加热器WPTC进行辅助制热；
此系统在一定程度上提高电动挖机制热及制冷效率，节省能耗，延长整机的持续运行时间。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.一种电动挖机热管理系统，
其特征在于：
包括热泵回路、WPTC回路和电池包回路；
所述热泵回路包括电动压缩机（10），电动压缩机（10）出口连接第一电磁阀（2-1）和第二电磁阀（2-2）；第一电磁阀（2-1）连接室外换热器（4-4），室外换热器（4-4）连接储液器（7）；
所述储液器（7）分出两路，储液器（7）第一路和第三电磁阀（2-3）、第一电子膨胀阀（1-1）、经济器（8）、单向阀（9）、电动压缩机（10）补气入口依次连接；
储液器（7）第二路连接经济器（8），经济器（8）分别连接第二电子膨胀阀（1-2）和第三电子膨胀阀（1-3）；所述第二电子膨胀阀（1-2）通过第一换热器（4-1）连接电动压缩机（10）入口；所述第三电子膨胀阀（1-3）通过第二换热器（4-2）、室内换热器（4-3）连接电动压缩机（10）入口；
所述WPTC回路包括第一水泵（6-1），第一水泵（6-1）出口和加热器WPTC（13）、第二换热器（4-2）、水暖芯体（11）、第二四通换向阀（3-2）依次连接，第二四通换向阀（3-2）连接第一水泵（6-1）入口；
所述电池包回路包括第二水泵（6-2），第二水泵（6-2）出口连接电池包（14）入口，电池包（14）出口通过回路连接第一换热器（4-1）。
2.根据权利要求1所述的一种电动挖机热管理系统，其特征在于：所述电池包（14）出口连接有第五电磁阀（2-5），第五电磁阀（2-5）第二端口连接低温散热器（15），低温散热器（15）连接第一四通换向阀（3-1）第一端口，低温散热器（15）一侧配合设置有电子风扇（16）；所述第一四通换向阀（3-1）第二端口连接第二四通换向阀（3-2）第二端口，第二四通换向阀（3-2）第四端口连接第四电磁阀（2-4）第三端口，第四电磁阀（2-4）第二端口连接第二水泵（6-2）入口；
第五电磁阀（2-5）第三端口连接第一四通换向阀（3-1）第四端口，第一四通换向阀（3-1）第三端口连接第一换热器（4-1），第一换热器（4-1）连接第四电磁阀（2-4）第一端口。
3.根据权利要求2所述的一种电动挖机热管理系统，其特征在于：所述水暖芯体（11）至第二四通换向阀（3-2）第三端口之间的管路上连接有水壶（12）。
4.根据权利要求2所述的一种电动挖机热管理系统，其特征在于：所述第一换热器（4-1）至第四电磁阀（2-4）第一端口之间的管路上连接有水壶（12）。
5.根据权利要求2至4中任意一种电动挖机热管理系统，其特征在于：所述电动压缩机（10）出口的管路上连接有第一P-T传感器（5-1）；
所述储液器（7）至第三电磁阀（2-3）之间的管路上连接有第二P-T传感器（5-2）；
所述第一换热器（4-1）至电动压缩机（10）入口之间的管路上连接有第三P-T传感器（5-3）；
所述第二水泵（6-2）出口至电池包（14）入口之间的管路上连接有第四P-T传感器（5-4）；
所述电池包（14）出口至第五电磁阀（2-5）第一端口入口之间的管路上连接有第五P-T传感器（5-5）。
6.一种电动挖机热管理控制方法，采用权利要求2至5中任意一种电动挖机热管理系统，其特征在于：
电池包（14）内电芯最高温度限值为Tmax，最低温度限值为Tmin；电池包（14）温差预设上限值为T1，下限值为T2；电动压缩机（10）排气温度预设值为T3；环境温度预设值为T4；
当T1≥（Tmax-Tmin）≥T2时，电动压缩机（10）关闭，电子风扇（16）开启，电池包（14）冷却回路仅通过低温散热器（15）来冷却；
当T2＞（Tmax-Tmin）时，此时电池包（14）冷却液通过第五电磁阀（2-5）和第一四通换向阀（3-1），不经过低温散热器；
当T1＜（Tmax-Tmin）时，电动压缩机（10）开启，第二电子膨胀阀（1-2）开度打开。
7.根据权利要求6所述的一种电动挖机热管理控制方法，其特征在于：
当驾驶室和电池包有制冷需求时；
如果电动压缩机（10）排气温度Tcomp＜T3，此时第三电磁阀（2-3）与第一电子膨胀阀（1-1）开度主动关闭；如果电动压缩机（10）排气温度Tcomp≥T3，此时开启第三电磁阀（2-3）并通过调节第一电子膨胀阀（1-1）开度来调整电动压缩机（10）的补气口流量，从而降低排气温度；
当驾驶室有制热需求时；
如果环境温度Tes≥T4，此时制冷剂回流形成的热泵系统能效高，第一电磁阀（2-1）的第一端口关闭，第二电磁阀（2-2）和第一水泵（6-1）同时开启，形成制热回路；
如果环境温度Tes＜T4，此时热泵系统能效低，此时若T1＞（Tmax-Tmin），通过第一四通换向阀（3-1）和第四电磁阀（2-4）、第二四通换向阀（3-2）将电池包（14）冷却液引入驾驶室内部进行采暖；
当驾驶室制热需求大时，此时第一水泵（6-1）和加热器WPTC（13）同时开启来辅助制热。
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